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霍爾效應技術提供緊湊型電流測量傳感器

   2009年04月21日 16:08  
  通常測量3-20A范圍內(nèi)電流的方法主要有以下兩種:采用電阻分流器的傳統(tǒng)測量方法,和使用電流傳感器。這兩種技術均有局限性:*種方法缺少流電隔離,第二種方法帶寬有限。此外,這兩種方法都對校準工作有相當高的要求。LEM電流傳感器曾經(jīng)幫助有效解決了這些問題,但為了全面滿足當前對降低成本和縮小尺寸的需求,現(xiàn)在到了需要對產(chǎn)品進行重新設計的時候了。
  2002年,LEM收購了一家位于日本的生產(chǎn)霍爾效應電流傳感器企業(yè)--NANA Electronics K.K.公司。新公司更名為NANALEM K.K.,總部位于東京町田。新的研發(fā)隊伍融合了兩家公司的專業(yè)經(jīng)驗,已經(jīng)重新設計了日本zui的產(chǎn)品SY系列,并把它發(fā)展成為HX系列。
  霍爾效應原理
  HX傳感器的核心是一個霍爾效應發(fā)生器。1879年,Edward H. Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應,在電流流經(jīng)一片薄傳導材料(霍爾發(fā)生器),并放在正交磁場中時,會發(fā)生這種效應。然后電磁洛倫茲力將感應電子,根據(jù)極性流到薄片邊緣。
  在這兩個邊緣之間產(chǎn)生的霍爾電壓VH與控制電流IC和磁通量B直接成正比(圖1)。霍爾發(fā)生器由一片薄傳導材料制成,如鎵砷化物(GaAs),
 
這種材料在使用期間能夠?qū)崿F(xiàn)可靠穩(wěn)定的性能。在5 mA的控制電流下,獲得的霍爾電壓約為1.25 mV/mT。
  霍爾效應開環(huán)電流測量
  一次電流產(chǎn)生的磁場會在磁性電路的間隙中生成線性磁通量B,磁通量B會在霍爾發(fā)生器中感應成比例的霍爾電壓VH。然后這個電壓被電子電路放大,得到一個與一次電流成比例的輸出模擬信號。HX系列可以測量DC電流和AC電流,以及相控整流器、有源電源轉(zhuǎn)換器、PWM轉(zhuǎn)換器和開關式電源中復雜的電流波形。輸出電壓一直是一次電流的真映像。
  抗dv/dt噪聲能力
  在設計驅(qū)動器控制和開關設備時,工程師遇到的其中一個問題是整流期間快速電壓變化導致的高dv/dt噪聲。
  電源半導體技術一直在不斷發(fā)展。現(xiàn)在,許多半導體產(chǎn)品大樣本中都可以看到整流速度非常高的IGBT。因此,當前通用逆電器一般會以很高的開關頻率工作,通常在20 kHz以上。在這么高的頻率上工作的好處包括波形更平滑、操作更安全、效率更高。
  開關設備每次開關時產(chǎn)生的高dv/dt值將在主電纜和傳感器的電子電路之間產(chǎn)生電容電流。大多數(shù)模擬線性放大器對這種寄生電流很靈敏。因此,dv/dt噪聲將被疊加在輸出信號上。根據(jù)變動電壓的幅度和斜坡,初始尖峰和后來的振蕩有時會非常高,以致它們會激活傳感器的電流保護電路,進而使逆電器暫停運轉(zhuǎn)。LEM的經(jīng)驗在HX系列設計階段幫助保證了對關鍵噪聲的免疫力,而又不會損害帶寬,因此HX的性能要超過其它類似的傳感器(圖2和圖3)。
  對階躍電流的超快速響應時間對IGBT短路保護*。HX系列可以以50A/ s以上的速度,準確追蹤電流變化,對階躍電流的響應zui快為3 s。
  設計工程師經(jīng)常面臨的另一個棘手問題是可用空間。小型傳感器有助于解決這個問題,HX傳感器重僅8克,要求的安裝面積只有15 x 19 mm。但*,當這種傳感器并排放在三相應用中時,各自的一次電流可能會影響其它傳感器的電子器件。在并排安裝在三相應用中時,HX電流傳感器引起的相互干擾非常小(圖4)。
  版HX傳感器有兩個一次線圈,這兩個線圈既可以串聯(lián),也可以并聯(lián)(圖5)。在某些逆電器應用中,可以使用一對這樣的傳感器,測量所有三個相位,每個傳感器兩個相位(圖6)。這消除了對第三個單元的需要,有助于降低成本。AC測試電壓(50 Hz, 1分鐘)是3 kVRMS,間隙/漏電距離超過5.5mm,使這些傳感器特別適合中低功率范圍中的隔離電流測量。
  參見下面幾個示意圖

 

圖1.位于磁性電路間隙中的霍爾發(fā)生器把一次電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)換成成比例的霍爾電壓。


圖2.由于采用快速開發(fā)元件,HX系列幾乎不受高dv/dt影響。
圖3.實際逆電器應用中的HX噪聲電平,其中dv/dt等于4000 V/ s。


圖4.在并排安裝在三相應用中時,電流傳感器產(chǎn)生的相互干擾非常小。


圖5. 帶有一個或兩個一次線圈的HX系列電流傳感器的工作原理。


圖6. 只使用兩個傳感器測量三相電流。

 
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